코로나19 현장진단용 나노PCR 기술 개발-나노물질 활용하여 고속 유전자증폭-검출하는‘나노 PCR’기술 개발

코로나19 현장진단용 나노PCR 기술 개발-나노물질 활용하여 고속 유전자증폭-검출하는‘나노 PCR’기술 개발

 

보도일2020-12-03 19:00 연구단명나노의학 연구단

 

 

코로나19 현장진단용 나노PCR 기술 개발
- 나노물질 활용하여 고속 유전자증폭-검출하는‘나노 PCR’기술 개발 -

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수), 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 하버드 의과대학 이학호 교수 연구팀과 공동으로 나노물질을 이용해 코로나 바이러스를 17분 내에 정확히 검출하는 현장진단(Point-of-care, POC) 기술을 개발했다.
현재 사용되는 코로나19 표준검사방법은 ‘역전사 유전자 증폭방법(RT PCR) 역전사 유전자 증폭방법(RT PCR) : RNA 유전자를 DNA로 변경한 후 DNA를 증폭하여 양을 측정하는 검사
’이다. RT PCR은 정확도는 높지만 바이러스 검출에만 수시간 이상이 소요된다. 고가의 대형장비를 갖춘 병원, 연구소 등으로 검체를 운송, 진단해야하기 때문에 과정이 복잡하고 비용도 많이 든다. 실시간 현장 대응이 어렵다는 문제도 있다.
연구진은 기존 진단법의 한계를 극복하기 위해 플라스모닉물질 플라스모닉물질 : 금속 나노입자 표면에 표면에 특정파장의 빛이 조사되면 흡수 또는 산란되어 금속의 유도전자의 강한 진동을 일으키고 열에너지로 방출하는 현상(플라스모닉 효과)을 보이는 물질
과 자성물질을 결합한 ‘마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, 이하 MPN) 마그네토 플라스모닉 나노입자(Magneto Plasmonic Nano particle, MPN) : 자석과 금속의 복합체로 자기력 및 광학적 특성을 동시에 가지고 있는 나노물질
’를 개발했다. 이를 PCR에 적용하여 고속 유전자증폭과 검출이 가능한 현장진단형(POC) 코로나19 진단 장비인 ‘nanoPCR’을 개발했다. MPN은 특정 파장의 빛에 감응하여 빛을 열에너지로 바꾸는 ‘플라스모닉 효과’를 띔과 동시에 샘플 분리를 가능하게 하는 자기력을 가지고 있다. 때문에 유전물질의 증폭과 검출을 동시에 해내면서 소량의 유전물질로도 정확한 검출을 할 수 있다. 나노기술로 신속성과 정확성, 두 마리 토끼를 잡은 셈이다.
나아가 한 번에 여러 시료를 탑재할 수 있는 ‘페리스휠 (Ferris wheel) 시스템’ 페리스휠 (Ferris wheel) 시스템 :관람차(Ferris Wheel)처럼 회전하면서 여러 샘플을 순차적으로 레이저 빛에 가열하는 시스템
을 적용하여 분석 처리량을 향상시켰다. 개발한 nanoPCR은 작고 가벼워(15x15x18.5cm, 3kg) 현장에서 손쉽게 사용할 수 있다.
연구진은 nanoPCR로 실제 코로나19를 진단하는 환자검체시험을 진행했다. 그 결과 환자 1명 샘플분석을 약 17분 만에 마쳤으며, 150명의 감염여부를 정확히 판정하였다(75명 양성, 75명 음성 샘플). RT PCR 수준의 정확도(99%)를 갖추면서도 진단시간은 획기적으로 단축시킨 것이다.
천진우 단장은 “PCR 구동 방법을 개량하고 소형화하여 코로나19를 현장에서 손쉽고 신속하게 진단하는 PCR 기술을 개발했다”며 “코로나19 뿐 아니라 향후 다양한 바이러스 전염성 질병진단에 유용한 플랫폼으로 활용될 것으로 기대한다”고 전했다. 이번 연구는 실험실 수준의 연구 성과로서, 진단기기 상용화 및 실제 현장 배치를 위해서는 후속 개발연구가 필요하다.
이번 연구결과는 국제학술지‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링 (Nature Biomedical Engineering, IF 17.149)’에 12월 3일 19시(한국시간) 게재됐다.

 

 

[붙임] 1.그림설명, 2.보충설명, 3. 연구진 이력사항

그 림 설 명

 

그림 1. nanoPCR 기술을 이용한 코로나 바이러스 진단 과정
환자 시료에서 추출된 코로나바이러스의 RNA는 nanoPCR을 통해 역전사 및 유전자증폭, 검출과정을 거쳐 최종 코로나19 감염여부를 진단하게 된다. 빠른 유전자증폭 및 검출을 위해 마그네토-플라스모닉 나노입자(MPN)을 사용하여 기존 RT-PCR의 온도변화 사이클을 고속으로 구현하였으며, 이후 자기장에 의해 MPN이 스스로 분리되어 증폭된 유전물질의 형광신호가 검출되게 하였다.

그림 2. nanoPCR의 RT-PCR 작동 사이클 및 이를 구현한 현장중심형 nanoPCR 장치
nanoPCR은 MPN의 플라스모닉 효과를 이용하여 코로나바이러스 유전자 증폭을 위한 RT-PCR과정을 11분에 수행하며, 이후 자기장을 이용하여 증폭된 유전자를 3분내 검출한다. 본 연구에서는 이 원리를 현장중심형 장비(point-of-care, POC)로 구현하기위해 장치의 소형 경량화를 이끌어 내었다. 본 nanoPCR 장비는 기존 RT-PCR 수준의 민감도 및 특이도를 가지고 있다.

 

그림 3. 마그네토-플라스모닉 나노입자 (MPN) 개발: PCR 가열과 분리 검출이 동시에 가능
MPN은 금과 자석의 복합나노물질로서 코어-셸 구조를 가지고 있다. MPN은 특정 파장의 빛에 감응하여 플라스모닉 효과를 유발시켜 열에너지로 전환된다. 또한 자성을 이용하여 반응이 끝난후 분리 및 검출을 가능하게 한다.

 

 

그림 4. 통상적 PCR과 nanoPCR의 PCR 수행시 온도 변화 사이클 속도 비교
통상 PCR은 유전자 증폭을 위해 필요한 약 60 – 90°C 온도 변화 사이클 40회를 약 1.5 - 2시간에 걸쳐 수행하나, MPN을 사용한 nanoPCR은 같은 사이클을 수행하는데 걸리는 시간을 6분으로 단축하였다. 이는 나노물질인 MPN이 혼합된 용액은 플라스모닉 효과에 의해 균일계 가열 방식이 적용되어 외벽을 직접 가열하는 종래의 PCR과 비교하여 더 빠른 속도로 균일한 온도 조절이 가능하기 때문이다.

 

 

 

그림 5. nanoPCR의 자성분리 및 증폭 유전자 형광 진단
자성을 띠는 MPN들은 자기장을 이용해 선택적으로 분리될 수 있다. 이 자성 분리과정을 통해 nanoPCR로 증폭된 유전자들이 형광으로 검출된다.

 

 

그림 6. 여러 샘플의 동시 처리를 위한 페리스휠 (Ferris Wheel) 시스템
여러 샘플을 동시에 PCR을 수행하기 위해 페리스휠 시스템을 접목하였다. 페리스휠이 회전하면서 샘플#1, #2, #3이 순차적으로 레이저 빛에 의해 가열된다.

 

 

 

그림 7. nanoPCR의 민감도 및 검출 한계
nanoPCR의 코로나19 유전자 검출 민감도는 3.2 copies / µl로 기존의 RT-PCR 진단 수준이다.

 

 

그림 8. 환자 시험을 통한 nanoPCR의 코로나19 진단성능 및 표준기술과의 비교
nanoPCR을 이용해 150명의 코로나19 환자(양성 75명, 음성 75명) 검체를 테스트한 결과 정확하게 양성군과 음성군을 구분했다(위양성·위음성률 0%). 이 결과는 현재 표준적으로 쓰이는 RT-PCR과 통계적 유사성이 매우 높고 (Pearson r 0.5 이상의 경우 밀접관계성 입증), 매우 유사한 정확도를 가지고 있음이 확인되었다.

 

 

그림 9. 역전사 유전자증폭기기(RT-PCR)과 nanoPCR 비교

 

 

 

 

 

보 충 설 명

 

□ RT-PCR (역전사-유전자증폭) 검사
RNA 유전자를 DNA로 변경한 후 DNA를 증폭하여 양을 측정하는 검사.
RNA의 경우 바로 유전자 증폭이 되지 않으므로, 역전사 과정을 통해 DNA로 변환하는 과정이 필요하다. 유전자 검사는 극소량의 바이러스만 존재하더라도 증폭이 되어 검출하므로 민감도와 특이도가 높으나 유전자 증폭에 시간이 걸리고 비교적 고가의 추가 장비들이 필요해 대부분 전문 시설에서 검사가 이루어진다.

□ 플라즈모닉효과
금속 나노입자 표면에 특정파장의 빛이 조사되면 흡수 또는 산란되어 금속의 유도전자의 강한 진동을 일으키고 결국 열에너지로 방출하는 현상

□ Point-of-care (현장중심형) 진단
병원이나 의료기관을 내방할 필요 없이 장소와 시간을 가리지 않고 현장에서 바로 실시할 수 있는 의료 진단 검사

□ 민감도, 특이도, 정확도
- 민감도 : 양성 환자 중 검사법이 진단한 양성의 수 (질병이 있는 사람을 얼마나 잘 찾아내는가에 대한 기준)
- 특이도 : 음성 환자 중 검사법이 진단한 음성의 수 (정상인 경우를 얼마나 잘 찾아내는가에 대한 기준)
- 정확도 : 전체 환자 중에서 양성과 음성을 맞춘 수 (민감도와 특이도를 같이 고려한 것으로 양성, 음성을 얼마나 잘 선별해 내는가에 대한 기준)

□ 위양성, 위음성
- 위음성 (False-negative): 실제로는 양성이지만 검사상 음성으로 나오는 것
- 위양성 (False-positive): 실제로는 음성이지만 검사상 양성으로 나오는 것
특히 위음성이 위험한데, 검사의 민감도가 낮을수록 위음성율이 올라간다.

 

연구진 이력사항

<천진우>
○ 소 속 : 연세대학교 교수
기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 단장

<이재현>
○ 소 속 : 연세대학교 고등과학원 조교수
기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 연구위원


<이학호>
○ 소 속 : 하버드 의과대학, 메사추세스 제너럴병원(MGH)
연세대학교 겸임교수